第一章矿内空气

1、矿井(kungjng)通风与安全 Mine Ventilation and Safety中国矿业大学教学(jio xu)多媒体课件1共五十三页矿井(kungjng)通风系统组成2共五十三页第一章 矿内空气(kngq) 矿井通风概念:依靠通风动力，将定量的新鲜空气，沿着既定的通风路线不断地输入井下，以满足各用风地点的需要，同时将用过的污浊空气不断地排出地面。这种对矿井不断输入新鲜空气和排出污浊空气的作业过程叫做(jiozu)矿井通风。 矿井通风目的:是为井下各工作地点提供足够的新鲜空气，使其中有毒有害气体、粉尘不超过规定值，并有适宜的气候条件。3共五十三页 矿井通风系统通常被称为矿井的心脏与动脉

2、。矿井通风是保障矿井安全的最主要技术手段之一。 本章内容:矿内空气的主要成分井下常见的有害气体(qt)矿井的气候条件4共五十三页1.1 矿内空气成分(chng fn)及其基本性质地面(dmin)空气主要成分气体成份（分子式）体积百分比（%）质量百分比(%)氮气（N2）78.1375.55氧气（O2）20.9023.10二氧化碳（CO2）0.030.05氩气，其它稀有气体0.941.305共五十三页 地面空气进入矿井以后，由于受到污染，其成分和性质要发生一系列的变化，如氧浓度降低，二氧化碳浓度增加；混入各种有毒、有害气体和矿尘；空气的状态参数（温度、湿度、压力等）发生改变等。一般来说，将井巷中经

3、过用风地点以前、受污染程度较轻的进风巷道(hng do)内的空气称为新鲜空气（新风）；经过用风地点以后、受污染程度较重的回风巷道内的空气，称为污浊空气（乏风）。矿内空气(kngq)6共五十三页尽管矿井空气与地面空气相比，在性质上存在(cnzi)许多差异，但在新鲜空气中其主要成分仍然是氧、氮和二氧化碳。在污浊空气中含有大量有毒有害气体：一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）等。有毒有害气体(qt)成分7共五十三页氧气(yngq)（O2）氧气是维持人体正常生理(shngl)机能所需要的气体。人类在生命活动过程中，必须不断吸入氧气，呼出二氧化碳。人体维持正常生命过

4、程所需的氧气量，取决于人的体质、精神状态和劳动强度等。8共五十三页人体需氧量与劳动强度(lodng qind)的关系劳动强度呼吸空气量/Lmin-1氧气消耗量/Lmin-1休息0.20.4轻劳动0.6.0中度劳动1.2.6重劳动1.82.4极重劳动2.53.09共五十三页人体缺氧症状(zhngzhung)与空气中氧浓度的关系氧浓度（体积）/%主要症状17静止时无影响，工作时能引起喘息和呼吸困难15呼吸及心跳急促，耳鸣目眩，感觉和判断能力降低，失去劳动能力1012失去理智，时间稍长有生命危险69失去知觉，呼吸停止，如有及时抢救几分钟内可能导致死亡当空气中的氧浓度降低时，人体就可能产生不良的生理反

5、应，出现种种不舒适的症状，严重(ynzhng)时可能导致缺氧死亡。10共五十三页人员呼吸煤岩和其他有机物的缓慢氧化煤炭自然瓦斯、煤尘爆炸煤岩和生产过程中产生(chnshng)的各种有害气体矿内空气中氧浓度(nngd)降低的主要原因 在井下通风不良的地点，如果不经检查而贸然进入，就可能引起人员的缺氧窒息。我国煤矿安全规程规定，矿内空气中氧含量不得低于20%。11共五十三页氮气(dn q)（N2）氮气是一种惰性气体,是新鲜空气中的主要成分,它本身无毒、不助燃，也不供呼吸。但空气中若氮气浓度升高，势必造成氧浓度相对降低，从而也可能导致(dozh)人员的窒息性伤害。正因为氮气为惰性气体，因此又可将其用

6、于井下防灭火和防止瓦斯爆炸。矿井空气中氮气主要来源是：井下爆破和生物腐烂，有些煤岩层中也有氮气涌出。12共五十三页二氧化碳(r yng hu tn)（CO2）二氧化碳是无色、略带酸臭味的气体，比重为1.52，是一种较重的气体，很难与空气 均匀混合，故常积存在巷道的底部，在静止的空气中有明显的分界。二氧化碳不助然也不能供人呼吸，易溶于水，生成碳酸，使水溶液成弱酸性，对眼、鼻、喉粘膜有刺激作用。在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体是无害(w hi)的，但如果空气中完全不含有二氧化碳，则人体的正常呼吸功能就不能维持。13共五十三页在抢救(qingji)遇难者进行人工输氧时，往往要在氧气中加入5%的二

7、氧化碳，以刺激遇难者的呼吸机能。但当空气中二氧化碳的浓度过高时，也将使空气中的氧浓度相对降低，轻则使人呼吸加快，呼吸量增加，严重时也可能造成人员中毒或窒息。二氧化碳(r yng hu tn)对人呼吸的影响14共五十三页 二氧化碳中毒(zhng d)症状与浓度的关系二氧化碳浓度（体积）/%主 要 症 状1呼吸加深，但对工作效率无明显影响3呼吸急促，心跳加快，头痛，人体很快疲劳2呼吸困难，头痛，恶心，呕吐，耳鸣6严重喘息，极度虚弱无力79动作不直协调，大约十分钟可发生昏迷911数分钟内可导致死亡15共五十三页矿井空气中二氧化碳的主要来源是：煤和有机物的氧化；人员呼吸；碳酸性岩石分解；炸药爆破；煤炭

8、自然；瓦斯、煤尘爆炸等。此外，有的煤层(micng)和岩层中也能长期过续地放出二氧化碳，有的甚至能与煤岩粉一起突然大量喷出，给矿井带来极大的危害。规程规定:进风流中二氧化碳不得大于0.5%；总回风流中,二氧化碳不超过1%。矿内二氧化碳(r yng hu tn)的主要来源16共五十三页一氧化碳(yynghutn)（CO）CO是一种无色、无味、无臭的气体，相对密度为0.97,微溶于水,能与空气均匀地混合(hnh)。CO能燃烧，浓度在13%75%时有爆炸的危险；CO与人体血液中血红素的亲合力比氧大250300倍（血红素是人体血液中携带氧气和排出二氧化碳的细胞）。一旦CO进入人体后，首先就与血液中的血

9、红素相结合，因而减少了血红素与氧结合的机会，使血红素失去输氧的功能，从而造成人体血液“窒息”。 17共五十三页一氧化碳中毒症状与浓度(nngd)的关系一氧化碳浓度（体积）/%主 要 症 状0.0223小时内可能引起轻微头痛0.0840分钟内出现头痛,眩晕和恶心。2小时内发生体温和血压下降，脉搏微弱，出冷汗，可能出现昏迷。0.32510分钟内出现头痛，眩晕。半小时内可能出现昏迷并有死亡危险。1.28几分钟内出现昏迷和死亡。18共五十三页一氧化碳(yynghutn)对人的生理作用19共五十三页空气中一氧化碳的主要来源有：井下爆破；矿井火灾；煤炭自然以及煤尘、瓦斯爆炸事故等。规程规定:矿内空气中CO

10、浓度不得(bu de)超过0.0024% 。矿内CO的来源(liyun)与允许浓度20共五十三页二氧化硫(r yng hu li)(SO2) 二氧化硫是一种无色,有强烈硫磺味的气体,易溶于水,在风速较小时,易积聚于巷道的底部.对眼睛有强烈刺激作用. 二氧化硫与水后生成都市硫酸,对呼吸器官有腐蚀作用,使用喉咙和支气管发炎,呼吸麻痹,严重时引起肺病水肿,当空气(kngq)中含二氧化硫为0.0005%时,嗅觉器官能闻到刺激味。0.002%时,有强烈的刺激,可引起头痛和喉痛。0.05%时，引起急性支气管炎和肺水肿，短期间内即死亡。规程规定：空气中二氧化硫含量不得超过0.0005%。21共五十三页二氧化

11、氮(NO2) 二氧化氮是一种褐红色的气体,有强烈的刺激气味,相对密度为1.59,易溶于水.二氧化氮溶于水后生成腐蚀性很强的硝酸,对眼睛、呼吸道粘膜和肺部组织有强烈的刺激及腐蚀作用，严重时可引起肺水肿。二氧化氮中毒有潜伏期，有的在严重中毒时尚无明显感觉，还可坚持工作。但经过624小时后发作，中毒者指头出现黄色斑点，并出现严重的咳嗽、头痛、呕吐(u t)甚至死亡。22共五十三页二氧化氮中毒症状与浓度(nngd)的关系二氧化氮（体积）/%主 要 症 状0.00424小时内可出现咳嗽症状。0.006短时间内感到喉咙刺激，咳嗽，胸疼。0.01短时间内出现严重中毒症状，神经麻痹，严惩咳嗽，恶心，呕吐。0.

12、025短时间内可能出现死亡。23共五十三页矿内空气中二氧化氮的主要来源：井下爆破工作。规程(guchng)规定，氮氧化合物不得超过0.00025%。二氧化氮的来源(liyun)与允许浓度24共五十三页硫化氢（H2S）硫化氢无色、微甜、有浓烈的臭鸡蛋味，当空气中浓度达到0.0001%即可嗅到,但当浓度较高时,因嗅觉神经中毒麻痹,反而嗅不到。硫化氢相对密度为1.19,易溶于水,在常温、常压下一个体积的水可溶解2.5个体积的硫化氢,所以它可能积存于旧巷的积水中.硫化氢能燃烧,空气中硫化氢浓度为4.3%45.5%时有爆炸危险. 硫化氢剧毒，有强烈的刺激作用，不但能引起(ynq)鼻炎、气管炎和肺水肿；而

13、且还能阻碍生物的氧化过程，使人体缺氧。当空气中硫化氢浓度较低时主要以腐蚀刺激作用为主；浓度较高时能引起(ynq)人体迅速昏迷或死亡。规程规定硫化氢的允许浓度为0.00066%25共五十三页氨气（NH3） 氨气是一种无色、有浓烈臭味的气体，比重为0.596,易溶于水,空气浓度中达30%时有爆炸危险。氨气对皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起喉头(hutu)水肿。 矿内空气中氨气的主要来源：爆破工作，用水灭火等；部分岩层中也有氨气涌出。规程允许浓度为0.004%。26共五十三页氢气(qn q)（H2） 氢气无色、无味、无毒，相对密度为0.07。氢气能自燃，其点燃温度比甲烷低100200，当空气中氢气

14、浓度为4%74%时有爆炸危险。 井下空气中氢气的主要(zhyo)来源：井下蓄电池充电时可放出氢气；有些中等变质的煤层中也有氢气涌出。27共五十三页矿内空气(kngq)温度矿内空气温度是影响矿内气候条件的重要因素。气温过高或过低，对人体都有不良(bling)的影响。最适宜的矿内空气温度是1520。 1影响矿内空气温度的主要因素1) 岩石温度岩层温度的三带变温带 随地面气温的变化而变化的地带恒温带 地表下地温常年不变的地带增温带 恒温带以下地带 12 矿内气候条件28共五十三页增温带岩石温度(wnd)的计算不同深度处的岩层温度可按式计算： tt0+G ( ZZ0)式中 t0恒温带处岩层的温度，；G

15、地温梯度，即岩层温度随深度变化率，/m，常用(chn yn)百米地温梯度，即/100m；Z岩层的深度；Z0恒温带的深度。29共五十三页2) 空气的压缩与膨胀 空气向下流动时，由于空气柱的增加，空气受到压缩而产生热量(rling)，一般垂深每增加100米，其温度升高1；相反，空气向上流动时，则又因膨胀而降温，平均每升高100米，温度下降0.80.9。 3) 氧化生热 矿井内的有机矿物、坑木、充填材料、油垢、布料等都能氧化发热。例如，经氧化生成2克二氧化碳时，可使1 3米空气升温14.5。在煤层中的采准巷道，暴露煤面氧化产生的热量较大，故回采工作面是通风系统中温度最高的区段。30共五十三页4) 水

16、分蒸发 水分蒸发时从空气中吸收热量，使空气温度降低。每蒸发一克水可吸收0.585千卡的热量，能使1米3空气降温1.9，可见水的蒸发对降低气温起着重要的作用。5）通风强度(指单位时间进入(jnr)井巷的风量) 温度较低的空气流经巷道或工作面时，能够吸收热量，供风量越大，吸收热量越多。因此，加大通风强度是降低矿井温度的主要措施之一。31共五十三页 6) 地面空气温度的变化 地面气温对井下气温有直接影响，尤其是较浅的矿井，矿内空气温度受地面气温的影响更为显著。 7) 地下水的作用 矿井地层中如果有高温热泉，或有热水涌出时，能使地温升高，相反，若地下水活动强烈，则地温降低。 ) 其它因素 如机械运转以

17、及(yj)人体散热等都对井下气温有一定影响。特别是随着机械化程度的不断提高，机械运转所产生的热量不能忽视32共五十三页矿内空气温度的变化规律 在进风路线上矿内空气的温度与地面气温相比，有冬暖夏凉的现象。回采工作面的气温在整个风流路线上，一般是最高的区段。在回风路线上，因通风强度较大，水分蒸发吸热，气流向上流动(lidng)而膨胀降温，使气温略有下降，但基本上常年变化不大。 33共五十三页矿内空气(kngq)的湿度矿内空气湿度是指矿内空气中所含水蒸汽量。绝对湿度指每1m3或1kg的湿空气中所含水蒸汽量的克数。相对湿度指湿空气中实际含有(hn yu)水蒸汽量与同温度下的饱和水蒸汽量之比的百分数。式

18、中 w空气中所含水蒸汽量(即绝对湿度)，g/m3； s在同一温度下空气中的饱和水蒸汽量， g/m3 。空气中饱和水蒸汽量的大小取决于空气的温度。34共五十三页井下空气湿度的变化规律 进风线路有可能出现冬干夏湿的现象。进风井巷有淋水的情况除外。在采掘(ci ju)工作面和回风线路上，气温长年不变，湿度也长年不变，一般都接近100，随着矿井排出的污风，每昼夜可从矿井内带走数吨甚至上百吨的地下水。35共五十三页131空气(kngq)的密度、比容单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号表示。空气可以看作是均质气体，故：式中 M空气的质量，kg V空气的体积，m3 ； 空气的密度，kgm3；一般地

19、说，当空气的温度和压力改变时，其体积会发生变化(binhu)。所以空气的密度是随温度、压力而变化(binhu)的，从而可以得出空气的密度是空间点坐标和时间的函数。如在大气压P0为101 325Pa、气温为0(27315K)时，干空气的密度0为1293kgm3。 13矿内空气的热物理参数36共五十三页湿空气的密度(md)是lm3空气中所含干空气质量和水蒸气质量之和：式中 1m3湿空气中干空气的质量， kg ； 1m3湿空气中水蒸气的质量，kg 37共五十三页由气体状态方程和道尔顿分压定律可以得出湿空气的密度计算公式：式中P空气的压力，Pa ； t空气的温度(wnd)， ； Ps温度t时饱和水蒸气

20、的分压，Pa ； 相对湿度，用数表示。 空气的比容是指单位质量空气所占有的体积，用符号(m3kg)表示，比容和密度互为倒数，它们是一个状态参数的两种表达方式。则：38共五十三页1.3.2 空气(kngq)的比热、内能、焓一比热 在分析热力过程时，常涉及到气体的内能和焓的计算，这些计算都要用到气体的比热。单位物量的物质(wzh)在单位温度变化时所吸收或放出的热量称为比热。定义式为 比热的单位取决于热量单位和物量单位。表示物量的单位不同，比热的单位也不同。通常采用的物量单位 ：质量(kg)、标准容积(Nm3)和千摩尔(kmo1)。因此，相应的就有质量比热、容积比热和摩尔比热之分。39共五十三页二空

21、气(kngq)的内能 气体的内能是指气体内部分子热运动的动能和由分子间相互吸引力所产生的位能的总和，即 井下空气可视为理想气体(l xin q t)，而理想气体(l xin q t)是没有分子间相互吸引力的气体。因此气体分子的内能决定于气体的绝对温度T，即 uf（T）40共五十三页三焓焓是一个组合的状态参数，表示气体热力状态的总能量。单位(dnwi)质量物质的焓称为比焓（有时也将比焓简称为焓），即有41共五十三页1.3.3 空气(kngq)的粘性当流体层间发生相对运动(xin du yn dn)时，在流体内部两个流体层的接触面上，便产生粘性阻力(内摩擦力)以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称

22、作流体的粘性。由牛顿内摩擦定律得：式中 F-内摩擦力，N； S-流层之间的接触面积，m2； -动力粘度(或称绝对粘度)，Pa.s。 当流体处于静止状态或流层间无相对运动时，dudy=0，则F=0。在矿井通风中还常用运动粘度，用符号 (m2s)表示： 42共五十三页43共五十三页1.4 矿内空气的热力变化(binhu)过程 矿井空气热力学和自然(zrn)风压计算等课题都要求对井下空气的状态变化给予具体分析。141等容过程 就是在比容保持不变的情况下所进行的热力变化过程。当v=常数，由气体状态方程可知：上式表明：等容过程是v不变而绝对压力和绝对温度成正比变化的过程。因v不变，即dv=0，则Pdv=

23、0,热力学第一定律得：44共五十三页上式表明：在这个(zh ge)过程中，空气不对外做功，空气所吸收戍放出的热量等于内能的增加或减少。 因 不变，空气密度 也不变，则通风常用的积分式的变化(即压能变化)为：45共五十三页142 等压过程当P=常数(chngsh)时，则vT=RP=常数。表明等压过程是P不变而v和T成正比变化的过程。对外界作功为热量变化为：46共五十三页上式表明：在此过程中，空气所吸收或放出(fn ch)的热量等于空气焓的增加或减少。因 ，故压能变化为：47共五十三页143 等温过程当T=常数时，则 表明等温过程是T不变而P和v成反比变化的过程。因 ,则对外作功为：因T不变，则内能(ni nn)u不变，故热量变化为：48共五十三页上式表明：在此过程中，空气(kngq)从外界获得的热量，等于空气(kngq)对外界作出的功；或者说空气(kngq)向外界放出的热量，等于空气(kngq)从外界获得的功。因 故压能变化为：49共五十三页144 绝热过程 绝热过程是空气和外界没有热量交换的情况下 ，所进行的膨胀(png zhng)或压缩的过程，空气的 T、v都发生变化，而且变化规律很复杂。前人分析得出：